智芯研报 | 集成电路设计、制造以及封装测试现

集成电路产业链庞大而复杂，主要分为设计、制造以及封装测试等三个主要环节，每个环节配套以不同的制造设备和生产原材料等辅助环节。我们下文将从集成电路设计、集成电路制造和封装测试等环节出发，分析每个环节国内相关环节的现状、面临的问题，并提出对策建议。

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全球半导体分为 IDM(Integrated Device Manufacture，集成电路制造)模式和垂直分工模式两种商业模式，老牌大厂由于历史原因，多为 IDM 模式。随着集 成电路技术演进，摩尔定律逼近极限，各环节技术、资金壁垒日渐提高，传统 IDM 模式弊端凸显，新锐厂商多选择 Fabless（无晶圆厂）模式，轻装追赶。集成电路设计为知识密集型产业，国际上比较典型的参与者主要有 AMD、英伟 达、高通、联发科、苹果、华为海思等公司。

芯片设计可以分为数字集成电路设计和模拟集成电路设计两大类。模拟集成电路设计包括电源集成电路、射频集成电路等设计。模拟集成电路包括运算放大 器，线性整流器，锁相环，振荡电路，有源滤波器等。相较数字集成电路设计， 模拟集成电路设计与半导体器件的物理材料性质有着更大的关联。数字集成电路设计包括系统定义，寄存器传输级设计，物理设计，设计过程中的特定时间 点，还需要多次进行逻辑功能，时序约束，设计规则方面的检查，调试，以确 保设计的最终成果合乎最初的设计收敛目标。

1、全球芯片设计产业现状

全球芯片设计产业龙头企业主要分布在美国，中国，台湾等国家地区， 2018 年， 中国企业海思半导体首次入围全球芯片设计前十企业，营收规模排名全球第五。 从整体来看，美国企业仍然占据了绝对主流，前 10 大芯片设计公司中有 8 家都 来自美国，其他仅有海思半导体和联发科(中国台湾)上榜。

2018 年全球芯片设计产业规模大约为 1139 亿美元，同比增速 14%，过去五年 符合增速约为 6.6%。由于近几年智能手机等终端对于芯片性能和数量需求的快速提升，全球芯片设计产业得以快速增长。特别是随着整体芯片设计工艺的持 续升级，芯片设计产业充分享受了下游芯片制造大规模投资的产业红利，产业 持续高速增长。

2、中国芯片设计现状

2018年中国芯片设计产业规模为 2519亿元，同比增长 21%， 5年复合增速 24%，远超全球整体复合增速 6.6%。国内庞大的市场需求，但是中国芯片企业规模较 小，每年芯片我国进口金额仍然在快速增长，国产芯片设计企业具备十分巨大的国产替代市场。除了海思半导体之外，我国 IC 设计产业企业发展呈现井喷式 增长的势头。截至 2016 年底，我国共有 IC 设计企业 1362 家，2015 年仅有 736家，同比增长率高达 85%。我国至今已有 11 家企业跻身全球 IC 设计企业 前 50 强。

3、国内芯片设计的问题

中国芯片设计产业目前主要的问题主要包括：企业规模小，核心市场和客户供应体系进入难度较大，技术能力仍与国外企业具有较大差距。 芯片软件原创的设计工具缺乏。EDA（Electronics Design Automation）软件被誉 为集成电路的“摇篮”、命门，是芯片设计最重要的软件设计工具。利用EDA 工具， 工程师将芯片的电路设计、性能分析、设计出 IC 版图的整个过程交由计算机处理 完成。但就是这一如此重要的产业，不管是国内还是全球的市场份额主要都由三大 巨头 Synopsys（新思科技）、Cadence（楷登电子）和 Mentor（明导）垄断。三 大EDA 企业占据全球 60%以上的市场，各家在部分领域又掌握绝对优势。而在中 国市场，国产 EDA 只占一成份额，国内 EDA 厂商的生存空间十分受限。市场调 研机构 Euromonitor 数据显示，2018 年 Synopsys、Cadence和 Mentor 全球的市 场份额分别为 32%、22%和 10%。 国内 EDA 设计软件厂商主要有华大九天、杭州广立微、苏州芯禾、济南槪伦、天津蓝海微等企业。与国际巨头能提供整套 EDA 工具不同，国内 EDA 企业产品不全，只在局部形成一定突破。作为国内最大的EDA 公司，华大九天也只能提供1/3左右的 EDA 工具。2018 年国内 EDA销售额约 5 亿美元（约合人民币 33 亿元）。其中，国产 EDA 工具销售额 3.4 亿元，只占了国内市场的 10%。而 Synopsys、Cadence 去年的年销售额分别达 30 亿美元和 21 亿美元，差距甚大。 EDA 设计软件具备壁垒高，投入期长，生态圈缺失，产业链支持薄弱，人才缺失 等问题，一个 EDA 工具从技术开发到能够被市场接受基本上需要五六年的时间。 EDA 是芯片设计和制造的纽带和桥梁，需要制造和设计的支持，只有不断应用和迭代，产品才能不断进步。发展 EDA 产业最关键的还是要靠人，不管是基础人才 还是高端人才，都是国内目前匮乏的。国内EDA设计公司平均每年工资上涨10%， 但是和国外同行比仍差 20%~30%，而与部分互联网企业差 50%。企业还在生死 线上挣扎时，根本无暇顾及人才培养。解决 EDA 的国产化问题，除了政府加大支持，要做好持续大投入的准备，并出台 一些人才激励的政策，从国外吸引优秀的人才回来。

模拟芯片设计能力较低。相较数字集成电路设计，模拟集成电路设计与半导体器件的物理材料性质有着更大的关联。模拟芯片的设计除了电路设计之外，更 多需要对材料物理性质的理解。不同模拟器件的设计需要设计电气、材料参数、 材料加工等多方面的能力，同时不同应用场景所用的芯片要求不同，使得模拟芯片设计需要多种类跨学科的知识。我国模拟芯片产业发展交往，导致模拟芯 片设计能力不足。

4、中国芯片设计产业对策

我们认为要想解决这些问题，可以参考海思半导体的成功发展路径：

1、大客户支持：海思半导体能够成功最核心的竞争力在于华为母公司的订单支 持。华为技术2018 年半导体芯片总采购额高达 211 亿美元，这给海思半导体 提供了巨大的优先市场，可以说没有母公司华为的大力支持就没有海思半导体今天的成功。华为能够如此大规模的采购，一方面是对子公司的全力支持，同 时也是基于其强大的经营实力。

2、高强度研发投入：华为是一家业务多元化同时营收规模快速增长的企业，同 时还一直保持着高强度的研发投入，2018 年华为营业收入 7200 亿元，研发投 入 1015 亿元，近十年研发投入超过 4850 亿元，超过中国 BAT 等互联网公司 研发投入总和。对于半导体行业，持续高强度的研发投入是企业发展的必须。如果对比海外半导体龙头的研发投入，华为是唯一能够跟上国外龙头企业的中国企业，这也是国内大部分半导体企业一直在成长但是却与国外企业差距越来 越大的核心原因。

3、充分利用 FAB 产业红利：不同于美国，欧洲，日本和韩国这些半导体行业先进的国家，中国，包括台湾地区的半导体产业模式有着着根本的不同。欧洲， 日本和韩国都是以 IDM 企业为主，Fabless 产业比例基本为零；只有美国是 IDM 模式和 Fabless 模式均衡发展，并且都占据全球较高的份额；而中国和台湾则 正好相反，Fabless占据份额很高，而 IDM 占比明显偏低。我们认为这主要源 于中国和台湾的半导体发展时点最晚，并且主要得益于全球 Fabless 模式向台 湾和大陆转移的产业趋势，这就导致中国已经错失了早期 IDM 模式发展的黄金阶段，只能从相对容易的 Fabless 开始介入半导体行业。因此，我们认为至少 在未来相当长一段时间内，中国半导体产业仍然更适合 Fabless 模式发展，而 IDM 模式需要国内相关上游设备，材料以及晶圆代工厂的逐步摸索合作，这会是一个相对漫长的过程。

4、布局国内优势下游产业：过去 40 年改革开放发展中，国内企业在家电、电脑、安防监控、服务器、路由器、无线通信设备以及智能手机等产品的制造能 力全球首屈一指。下游系统产品端的巨大需求将成为未来国内电子产业自主可控、创新升级的核心优势。未来在产业链国产化配套需求趋势下，国内终端产品使用国产芯片，在应用端提供试错改进提升的机会，同时通过上游国产配套 降低采购成本促进下游整机产品形成核心竞争力，这将是是国内芯片产业的有 效突破机会。

集成电路(IC，integrated circuit)制造是将设计成型的集成电路图实现的过程，在硅片等衬底材料基础上，通过高尖端设备，经过氧化、光刻、扩散、外延、测试等 半导体制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的半导体、电阻、电容等元件及 它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上，制备出具备特定功能的集成电路，又称芯片。

集成电路，按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数/ 模混合集成电路三大类。模拟集成电路用来产生、放大和处理各种幅度随时间变化 的模拟信号（例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等），其输入信号和输出信号成比例关系。数字集成电路则是用来产生、放大和处理各种数字信号（例 如 5G 手机、数码相机、电脑 CPU、数字电视的逻辑控制和重放的音频信号和视频 信号）。

1、集成电路制造环节现状

随着半导体产业的发展，投资规模越来越大，产业分工越来越明确。产业龙头公司 逐步从早期的垂直整合生产(IDM，integrated device manufacturer)转向专业化分 工，出现专业化的芯片设计公司(Fabless)，专业的芯片制造公司(Foundry)以及专业 的封装测试公司。我们从技术能力、规模等角度分析目前全球芯片制造领域的格局。

全球 IC 制造领域格局。目前全球 IC 代工制造领头企业为中国台湾的台积电，2018 年收入为 303.89 亿美元，占全球前十大 IC 制造规模收入比例超过 50%。中国大陆 企业在前十位的分别有中芯国际和华虹半导体，2018 年收入分别为 33.78 亿美元和 9.45 亿美元，占全球前十大 IC 制造规模收入比例分别为 5.64%和 1.58%。

技术水平格局。集成电路的技术水平核心指标是特征尺寸，特征尺寸是指半导体器件中的最小尺寸。特征尺寸越小，芯片的集成度越高，性能越好，功耗越低，公司 的制造水平越高。从竞争格局现状来看，目前国内 IC制造能力与国际先进比较， 制造能力落后 5-6 年，制程能力相差 2 代到 2.5 代。

随着进入 7nm 以及更高制程周期，领头企业与追赶企业的差距在逐步扩大。例如， 随着工艺难度的提升，开发难度不断增大，投入资金要求越来越大，格罗方德以及联电短期内已经放弃往 7nm 制程的升级。

2、提升芯片制造能力的应对措施

随着下游终端产品例如智能手机要求的性能越来越高，高端芯片如华为海思麒麟 990 芯片、苹果 A12 系列芯片、高通骁龙855 系列芯片等都采用7nm 制程，两家 具备高端制程能力的公司如三星、英特尔等公司由于自身产业链因素，高端制程主要用于自身产品生产。目前大部分高端芯片特别是 7nm 制程及以上的芯片制造， 目前大部分市场主要由台积电占据。国内两家芯片制造公司中芯国际、华虹半导体都已经进入 14nm 制程的风险量产阶 段，但其核心量产制程仅在28nm，意味着能够生产市场上60%的芯片。国内企业 与国际先进水平企业仍然存在较大差距，并且未来在进入更高阶制程过程中面临的压力越来越大。

应对措施方面，我们建议国内企业在积极做好14nm 量产准备的同时，在设备、制 造工艺、人才等方面及早做好储备，加大国际顶尖人才的引进。目前国家半导体产 业政策环境相对较好，先进制程方面国际领先企业已经成熟量产，说明设备、材料等产业链配套环节已经成熟。国内企业需要追赶的核心要素是培养人才，引进人才， 例如中芯国际在2017年10月份引进台积电及三星前技术核心梁孟松后只用了一年 半左右时间，就在 2018 年上半年就实现 14nmFinFET 工艺正式的量产，目前的良品 率达到 95%以上，所以引进国际顶尖人才实现产业升级是核心环节。

半导体封测目前属于国内半导体产业链中有望率先实现全面国产替代的领域，并且当前全球封测市场份额的重心继续向国内转移。根据中国半导体行业协会统计， 2018 年中国集成电路产业封测业销售额达333 亿美元，而全球封测行业2018 年 约560 亿美元，中国封测行业占全球市场份额约达 59%。

从封测行业企业竞争格局看，虽然全球目前排名前 2 的公司为日月光和安靠，但中 国企业在国际上已拥有较强竞争力。2018 年长电科技、华天科技、通富微电三家企业在全球市场市占率达 17%，且在封装技术能力较为全面，掌握了全球较为领 先的先进封装技术，未来有望进一步抢占更多市场份额。

从技术发展趋势，目前国际先进封装技术发展趋势主要有 FC BGA(倒装芯片球栅 格阵列的封装格式)、WLCSP(晶圆级封装)、FO-WLP(晶圆级扇出封装)、Sip(系统 级封装)等技术。这些先进封装技术主要应用在手机、可穿戴设备等小型化高附加值电子设备中。

目前中国龙头企业如长电科技、华天科技已拥有此类先进封装技术，其技术水平虽有所落后国际龙头企业，但差距较小，预计未来 5~8 年，有望实现全面赶超。

建议国内企业加强精细化运营，优化内部管理流程，积极提升服务能力，在服务全球顶级客户方面做好全面准备。在此基础上，力争国内封装测试产业链，达到全球 一流水平。

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